Ta离子注入Ti6Al4V合金耐磨性研究

用5种Ta离子注入剂量(1.2×1016、3×1016、1.5×1017、3×1017、4.5×1017 ions/cm2)对Ti6Al4V合金进行离子注入表面改性.采用纳米硬度计测量Ta离子注入前后Ti6Al4V合金表面硬度随压入深度的变化,利用多功能摩擦磨损试验机研究Ta离子注入前后Ti6Al4V合金材料的耐磨性,利用X射线衍射技术研究Ta离子注入前后Ti6Al4V合金表面的物相分布.结果表明,除Ta离子注入剂量为3×1017 ions/cm2外,Ta离子注入Ti6Al4V合金硬度有一定的提高;Ta离子注入Ti6Al4V合金摩擦系数降低;除Ta离子注入剂量为3×1017 ions/cm2外,Ta离子注入Ti6Al4V合金的耐磨损性能得到了改善.摩擦系数降低和硬度提高、Ta离子注入的固溶强化、单质Ta新相的弥散强化改善了Ti6Al4V合金的耐磨损性能.     

Ag和Ta离子双注入Ti6Al4V合金表面改性

采用先注入1×1017ion/cm2Ag离子,注入能量为64.2keV;后注入1.5×1017ion/cm2Ta离子,注入能量为146.5keV对Ti6Al4V合金进行离子双注入表面改性。采用X射线衍射分析离子双注入前后Ti6Al4V合金表面的物相;利用X射线光电子能谱研究离子双注入前后Ti6Al4V合金表面元素化合态以及离子双注入Ti6Al4V合金表面元素浓度沿深度方向的分布。结果表明,离子双注入前后Ti6Al4V合金表面都被氧化了,离子注入前合金表面存在TiO、Ti2O3和Al2O3,离子双注入后Ti6Al4V合金表面有TiO2、Ta2O5、TaOx和AgO2新相生成,且在表面还存在少量V2O5和Al2O3。离子双注入合金表面生成的氧化物层形成了扩散阻挡层,阻挡铝离子和钒离子向外扩散,从而减少Ti6Al4V合金表面铝离子和钒离子的释放量。     

Ag离子注入Ti6Al4V合金抗Hank’s溶液腐蚀性能研究

采用注入不同剂量5×1016, 1×1017, 5×1017和9×1017ions/cm2,加速电压30 kV对Ti6Al4V合金进行Ag离子注入表面改性。使用动电位极化曲线研究Ag离子注入前后Ti6Al4V合金抗Hank’s溶液腐蚀性能,利用小角掠射X射线衍射技术研究Ag离子注入前后Ti6Al4V合金表面物相组成,用X射线光电子能谱技术分析离子注入合金表面和腐蚀样品表面元素存在的化合态。结果表明,Ag离子注入提高了合金抗Hank’s溶液腐蚀性能,腐蚀电流密度随Ag离子注入剂量的增加稍有变化。离子注入Ti6Al4V合金表面的氧化物腐蚀阻挡层、离子注入表面合金层和表面生成的Ag和TiAg有利于合金抗Hank’s溶液腐蚀性能的改善     

Ta离子注入对铝青铜耐磨性能的影响

采用俄歇电子能谱仪分析Ta离子注入铝青铜合金的Ta、Cu和Al元素分布,利用显微硬度仪测量注入Ta离子铝青铜的显微硬度,用摩擦磨损试验机分析QA19-4铝青铜的摩擦系数和磨损质量损失.结果表明:随Ta离子注入剂量的增加,铝青铜中的Ta原子浓度升高,离子注入深度超过100 nm,显微硬度显著增高,在距合金表面约60 nm深处硬度达到最大值;铝青铜的摩擦系数显著降低,单位时间内磨损质量损失显著减小,因此明显提高了舒j青铜的耐磨性能.     

氮离子注入生物医用金属材料的表面性能研究

采用D/MAX-ⅢB型X射线衍射仪、X射线能谱仪、S-3000N型扫描电镜、HXD-1000TML/LCD数字式显微硬度计、CETR微观多功能磨损实验机和CHI660A电化学工作站对经N离子注入的316L奥氏体不锈钢和Ti6Al4V合金的组织、硬度、耐磨性和耐蚀性进行了研究。结果表明,316L奥氏体不锈钢和Ti6Al4V合金经离子注入后,注入层硬度提高,摩擦系数降低,耐磨性提高,抗腐蚀性增强;且离子注入后Ti6Al4V合金的综合性能明显优于316L不锈钢,钛合金注入N离子的剂量为3.4×1017ions/cm2时,注入层的硬度、耐磨性和耐蚀性综合性能最好。     

Ti6Al4V合金激光熔覆NiMoSi复合涂层的高温抗氧化性能

为提高Ti6Al4V合金的高温抗氧化性能,以Ni-48%Mo-32%Si混合粉末为原料,采用激光熔覆技术在Ti6Al4V合金表面制备复合涂层,分析涂层物相、组织结构、高温抗氧化性能及抗磨损性能,并讨论相关机理。结果表明：复合涂层中无裂纹,与基体实现了良好的冶金结合;硬质相Ti₅Si₃、MoSi₂和Mo₅Si₃均匀分布于基体α-Ti、NiTi中。经恒温800 ℃氧化100 h后,复合涂层的氧化膜主要由TiO₂、SiO₂和NiO组成,结构连续致密,表现出较好的高温抗氧化性能。而Ti6Al4V合金氧化膜主要为疏松TiO₂,表面氧化严重;氧化后,复合涂层和基体的单位面积增重分别为1.31和23.38 mg/cm²;复合涂层和基体的摩擦因数分为0.44和0.52、磨损率分别为16.2×10^-5和22.6×10^-5mm³/Nm,复合涂层的摩擦学性能亦有明显提高。     

DEFORMATION BEHAVIOR OF SPRAY–DEPOSITED La–BASED BULK AMORPHOUS ALLOY IN SUPERCOOLED LIQUID REGION

研究了喷射成形大尺寸La₆₂Al_15.7(Cu, Ni)_22.3非晶合金在过冷液相区内的塑性变形行为. 结果表明, 随加热温度 的增加和应变速率的减小, 该非晶合金由非稳态变形向单一稳态变形行为转变. 当应变速率为5×10^-3 s^-1, 温度为443 K和挤压比为6.25时, 喷射成形La₆₂Al_15.7(Cu, Ni)_22.3非晶合金样品的密度由挤压前的5.723增加到挤压后的5.924 g/cm³, 达到了同成分吸铸态非晶合金密度 (6.134 g/cm³) 的96.6%. 挤压后非晶合金样品依然保持完全非晶态.     

高低温交替海洋环境Ti6Al4V合金的腐蚀损伤机理

目的 探究高低温交替海洋服役环境中Ti6Al4V合金的腐蚀损伤失效过程,揭示高温氧化、沉积盐膜、频繁启动工作模式耦合作用下合金的腐蚀损伤与退化机理。方法 采用高温氧化、高温氧化-盐雾交替和高温氧化-海水浸泡交替试验方法,对Ti6Al4V合金腐蚀失效行为进行了全面评估;利用X-射线衍射仪(XRD)、X-射线光电子能谱仪(XPS)与扫描电子显微镜(SEM)等微尺度检测分析仪器,全面解析了合金损伤失效过程中表面物相结构、腐蚀产物成分及表/截面形貌特征。结果 650 ℃氧化400 h后,Ti6Al4V合金表面氧化层(TiO2+Al2O3)生长致密且均匀;经50循环高温氧化-盐雾交替试验后,Ti6Al4V合金遭受加速腐蚀损伤,表面存在明显点蚀,氧化层出现分层剥落;经50循环高温氧化-海水浸泡试验后,Ti6Al4V合金腐蚀损伤进一步加速,但氧化层生长迅速,整体增重达5.167 mg/cm²。结论 高温氧化过程中Ti6Al4V合金表面氧化层呈缓慢均匀生长特征,具有优良的抗氧化性。高低温交替工作模式加速了氧化膜快速生长与结构破坏,Cl^‒的浓度对Ti6Al4V合金表面氧化层的降解具有显著驱动作用,且Cl^‒浓度越高腐蚀降解越严重。随着样品表面氧化层的致密性和完整性被破坏,混合盐逐渐侵入氧化层内部,加剧了氯化物的挥发,表明Ti6Al4V合金在高低温交替环境下抗腐蚀性较差。     

铜离子注入Ti6Al7Nb合金的表面改性研究

使用MEVVA强流金属源离子注入机对Ti6Al7Nb合金表面注入能量为80keV、剂量分别为0.5×1017,1×1017,2×1017,4×1017ions/cm2的铜离子,计算得到铜离子饱和注入量为2.15×1017ions/cm2。研究了注入的铜离子对Ti6Al7Nb合金腐蚀性能、显微硬度和磨损行为的影响,采用覆膜法研究了铜离子注入后试样对金黄色葡萄球菌的抗菌性能,并分析了注入剂量与抗菌性能的关系。结果表明,Ti6Al7Nb合金的硬度和耐磨性随着注入剂量的增加而提高,点蚀电位随着注入剂量的提高而下降。抗菌试验显示当注入量达到饱和注入量时,试样的抗菌率达到99%以上。     

Ti6Al4V合金等离子体基离子注氧层XPS研究

采用等离子体基离子注氧技术(O2-PBⅡ)对Ti6Al4V合金进行了表面改性处理,实验过程中改变注入离子能量的工艺参数,负脉冲偏压分别为10、20、30 kV,离子注入过程中样品台通油冷却以实现低温注入;用XPS对离子注氧层的深度、成分及化学结构进行了系统的分析.结果表明:随着注入离子能量的增加,Ti6Al4V合金表面改性层的深度明显增加,改性层的外层由一定厚度的TiO2组成,外层与内层基体之间存在Ti2O3和TiO;Al元素在改性层的外层以氧化物形式存在,且该氧化物趋于表面生长;在表面改性层的外层未发现V及其氧化物.     

The Tribological Performance of Surface Treated Ti6A14V as Sliding Against Si<Subscript>3</Subscript>N<Subscript>4</Subscript> Ball and 316L Stainless Steel Cylinder

Closed field unbalanced magnetron sputtering was used to deposit diamond-like carbon (Ti-C:H) coatings on Ti6Al4V alloy and gas nitrided Ti6Al4V alloy. Four different specimens were prepared, namely untreated Ti6Al4V alloy (Ti6Al4V), gas nitrided Ti6Al4V alloy (N-Ti6Al4V), Ti-C:H-coated Ti6Al4V alloy (Ti-C:H/Ti6Al4V) and Ti-C:H-coated gas nitrided Ti6Al4V alloy (Ti-C:H/N-Ti6Al4V). The tribological properties of the four specimens were evaluated using a reciprocating wear tester sliding against a Si₃N₄ ball (point contact mode) and 316L stainless steel cylinder (line contact mode). The wear tests were performed in a 0.89 wt.% NaCl solution. The results showed that the nitriding treatment increased the surface roughness and hardness of the Ti6Al4V alloy and improved the wear resistance as a result. In addition, the Ti-C:H coating also improved the tribological performance of Ti6Al4V. For example, compared to the untreated Ti6Al4V sample, the Ti-C:H coating reduced the wear depth and friction coefficient by 340 times and 10 times, respectively, in the point contact wear mode, and 151 times and 9 times, respectively, in the line contact wear mode. It is thus inferred that diamond-like carbon coatings are of significant benefit in extending the service life of artificial biomedical implants.     

Wear behavior of Ti6Al4V biomedical alloys processed by selective laser melting,hot pressing and conventional casting

The aim of this work was to study the influence of the processing route on the microstructural constituents, hardness and tribological (wear and friction) behavior of Ti6Al4V biomedical alloy. In this sense, three different processing routes were studied: conventional casting, hot pressing and selective laser melting. A comprehensive metallurgical, mechanical and tribological characterization was performed by X-ray diffraction analysis, Vickers hardness tests and reciprocating ball-on-plate wear tests of Ti6Al4V/Al₂O₃ sliding pairs. The results showed a great influence of the processing route on the microstructural constituents and consequent differences on hardness and wear performance. The highest hardness and wear resistance were obtained for Ti6Al4V alloy produced by selective laser melting, due to a markedly different cooling rate that leads to significantly different microstructure when compared to hot pressing and casting. This study assesses and confirms that selective laser melting is potential to produce customized Ti6Al4V implants with improved wear performance.     

Ti6Al4V钛合金表面真空渗氧处理

目的在Ti6Al4V钛合金表层制备硬度高、耐磨性好的硬化层。方法结合真空技术,以高纯的O2为介质,在Ti6Al4V钛合金表面制备致密的渗氧硬化层,采用X衍射仪分析渗氧层的相组成,用金相显微镜观察渗氧层和磨痕组织,用显微硬度计测试渗氧层的显微硬度,用MM-U10A端面磨损试验机研究渗氧层的耐磨性。结果渗氧层物相主要由TiO_2、TiO、Ti_3Al及Al_2O_3组成,温度较低时,形成的渗氧层较薄,温度增加,渗氧层厚度迅速增加,硬度及耐磨性也随之增加。温度为760℃时,表面硬度为基体硬度的2.5倍以上,大于750HV,有效硬化层厚度达60μm以上,其磨损失重仅为未渗氧原样的1/4,表面磨痕细密,没有撕裂情况发生,渗氧层保持完整。温度继续增加,氧化物开始聚集长大,渗氧层组织开始变得疏松,硬度及耐磨性开始下降。结论 Ti6Al4V钛合金表面真空渗氧处理可显著提高其表面硬度,耐磨性改善明显。     

钛合金双层辉光离子无氢碳氮共渗摩擦性能研究

利用双层辉光离子渗金属原理改善钛合金Ti6Al4V的耐摩擦性。使用蜂窝状高纯度固体石墨作为源极，钛合金Ti6Al4V做阴极，一定比例的氩气、氮气作为载气。依靠辉光放电空心阴极效应，溅射出原子、离子状的碳元素，碳、氮元素混合形成等离子体，靠阴极负偏压把碳、氮吸引到Ti6Al4V的表面，依靠轰击和扩散在Ti6Al4V材料表面形成具有特殊物理、化学性能的合金层。X射线衍射检测显示渗层内形成了包含TiC，TiN的硬度相；辉光放电光谱（GDS）检测结果显示，在渗层内碳、氮元素分们呈梯度形式；硬度测试显示渗层硬度由表及里呈现梯度下降，表面硬度提高两倍以上；摩擦磨损检测表明Ti6Al4V材料经无氢碳氮共渗处理后，其粘着现象明显降低，摩擦系数降低一半多，耐磨性大大提高。     

Ti6Al4V钛合金表面Zr-N合金化层的抗高温摩擦磨损性能

为了改善钛合金的高温耐磨性能,采用锆-氮离子共渗与异步渗(渗锆后再氮化处理)两种工艺技术分别在Ti6A14V钛合金表面制备致密的锆-氮合金化改性层,对比研究了合金化层的组织结构特征和高温摩擦磨损性能.结果表明,两种工艺制各的Zr-N合金层表面均由ZrN相组成,异步渗改性层的内层则包含较厚的Zr-Ti固溶体,两种等离子表面合金化层均使钛合金表面硬度显著提高.同样温度和处理时间条件下,异步渗合金化层的厚度约为锆-氮共渗合金化层厚度的6倍,且氮化物层也较厚,原因归于前者处理过程中Zr与Ti之间良好固溶特性的充分发挥及ZrN相的扩散障作用的有效抑制.300℃高温下球盘摩擦磨损试验结果表明,由于锆-氮共渗合金化层深度较小,因而改善钛合金基材耐磨性能的效果相对较低.锆-氮异步渗处理则使Ti6A14V钛合金耐磨性能显著提高,摩擦因数降低50％以上,比磨损率降低2个数量级,原因归于该类合金化层高的表面硬度、大的层深、良好的高温抗氧化性能及优异表面承载能力的有机匹配.     

钛合金圆环工件表面合金化及其滚动摩擦性能研究

采用等离子表面合金化技术在Ti6Al4V合金圆环工件表面制备Mo渗镀改性层,将其与未渗Mo处理的Ti6Al4V合金在模拟实际工况条件下进行油润滑的滚动摩擦对比试验,比较二者的磨损情况,并分析磨损机理。结果表明,Ti6Al4V合金表面进行渗Mo处理后,形成了均匀、致密且高硬度的Mo基改性层。Ti6Al4V合金表面渗Mo后,硬度由渗层到基体呈梯度分布。滚动摩擦试验表明,渗Mo处理后表面无减摩效果,但磨损量大大减小,耐磨性得到有效改进。通过对磨损形貌的分析可知,表面渗Mo处理后磨损机理主要以磨粒磨损为主,而基材是磨粒磨损和粘着磨损。     

Ti6Al4V合金表面离子铌合金化及其耐磨性能研究

采用双辉离子渗技术对Ti6Al4V钛合金表面渗Nb,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、磨损试验机、电化学测试系统研究钛合金表面离子渗Nb合金化层的形态、结构、力学性能、摩擦学性能和电化学腐蚀性能,并探讨渗Nb改性处理对钛合金在3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损行为的影响.结果表明,渗Nb工艺参数对合金化层的形态、结构和性能影响显著,高浓度渗Nb合金化改性层表现出良好的强化效果,显著地改善了Ti6Al4V合金的抗大气环境和抗NaCl溶液腐蚀磨损性能.Ti6Al4V合金基材和渗Nb层的耐磨性能在NaCl溶液中优于大气环境,其原因归于溶液的润滑作用和试样的良好耐腐蚀性能.     

Effects of Duplex Nitriding and TiN Coating Treatment on Wear Resistance,Corrosion Resistance and Biocompatibility of Ti6Al4V Alloy

Ti6Al4V alloy substrates were nitrided at 900 °C. TiN coatings were then deposited on the nitrided substrates using a closed-field unbalanced magnetron sputtering system. The microstructure, hardness and adhesion properties of the TiN-N-Ti6Al4V substrates were evaluated and compared with those of an untreated Ti6Al4V sample, a nitrided Ti6Al4V sample and a TiN-coated Ti6Al4V sample, respectively. The tribological properties of the various samples were investigated by means of reciprocating sliding wear tests performed in 0.9 wt.% NaCl solution against 316L, Si₃N₄ and Ti6Al4V balls, respectively. In addition, the corrosion resistance was evaluated using potentiodynamic polarization tests. Finally, the biocompatibility of the samples was investigated by observing the attachment and growth of purified mouse leukemic monocyte/macrophage cells (Raw 264.7) on the sample surface after culturing periods of 24, 72 and 120 h, respectively. Overall, the results showed that the duplex nitriding/TiN coating treatment significantly improved the tribological, anti-corrosion and biocompatibility properties of the original Ti6Al4V alloy.     

Improving tribological properties of Ti6Al4V alloy with duplex surface treatment

Ti-doped diamond like carbon films were deposited on both untreated and plasma nitrided Ti6Al4V alloy using Closed Field Unbalanced Magnetron Sputtering (CFUMBS) method and their tribological properties were evaluated by conducting sliding wear conditions. The influence of the nitrided layer on tribological behavior of Ti-DLC films was studied by means of XRD, SEM, scratch tester, microhardness tester and pin-on-disc tribotester. The microhardness results pointed out that the duplex treatment dramatically increased the surface hardness and reduced the plastic deformation of the alloy. Wear tests showed that Ti-DLC coatings on both untreated and nitrided surfaces caused a reduction in the coefficient of friction. The reason of the reduction in the coefficient of friction was found to be the formation of transfer film between the sliding surfaces. Wear rates demonstrated that wear resistance of duplex treated (Ti-DLC coating after nitriding) Ti6Al4V alloy was significantly improved.     

钛合金氧碳共渗层性能

将经磨平、抛光、超声波乙醇清洗、吹干的Ti6Al4V合金样品放入专用设备中进行氧碳共渗。分别采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、HV硬度仪、万能材料试验机对渗层的物相、显微组织形貌、成分、硬度、摩擦磨损、力学性能进行分析。XRD结果表明,渗层中出现TiC和TiO_x相。氧碳共渗改变了原Ti6Al4V合金的组织,渗层的显微组织明显区别于Ti6Al4V的渗碳、渗氧以及在CO₂气氛下处理的组织。EDS结果表明,C、O元素含量呈现梯度变化。相比基体硬度,渗层表面硬度提高了3.8倍,渗层硬度呈梯度变化。氧碳共渗改变了原始样的粘着磨损和摩擦状态,渗层样表面只有轻微的摩擦痕迹、无磨损。氧碳共渗后磨损量是原始样的3.5%,摩擦系数约为原始样的30%。渗层样在拉断过程中,外表面有一定的剥落,表面布满裂纹,样品的强度略有下降,断面延伸率和断面收缩率与原始样相当。Ti6Al4V合金经过氧碳共渗后,提高了表面硬度,降低了磨损率和摩擦系数,基本保持了基体的力学性能。